第12章: 並行処理とIsolate

FutureやStreamによる非同期処理は、I/O待ち（通信やファイル読み書き）をノンブロッキングに行うための仕組みであり、実行自体は依然として同一のシングルスレッド（イベントループ）上で行われます。

そのため、画像処理、暗号化/複合、数万件に及ぶ巨大なJSONのパースなど、CPU負荷の高い重い計算 を実行すると、UIのレンダリングがコマ落ち（ジャンク/Jank）してしまいます。

Dartはマルチコアプロセッサを活用して真の並列計算を行うために、メモリを共有しない独立した実行単位である Isolate（アイソレート） を提供しています。

この章では、Isolateの仕組み、Isolate.run() による簡単な並列化、そしてポートを用いた双方向通信を学びます。

Dartのシングルスレッドモデルとメモリ空間

一般的なマルチスレッドプログラミング（JavaやC++など）では、複数のスレッドが同一のヒープメモリ空間を共有するため、ミューテックスやロックによる排他制御が必要となり、レースコンディション（競合状態） や デッドロック の温床になりがちでした。

Dartの Isolate（アイソレート＝隔離されたもの） は、独自のヒープメモリと独立したイベントループを持つ完全な隔離環境 です。

+-----------------------------+       +-----------------------------+
|          Isolate A          |       |          Isolate B          |
|  +-----------------------+  |       |  +-----------------------+  |
|  |     ヒープメモリ      |  |       |  |     ヒープメモリ      |  |
|  |  (オブジェクト・変数) |  |       |  |  (オブジェクト・変数) |  |
|  +-----------------------+  |       |  +-----------------------+  |
|  +-----------------------+  |       |  +-----------------------+  |
|  |     イベントループ    |  |       |  |     イベントループ    |  |
|  +-----------------------+  |       |  +-----------------------+  |
+--------------+--------------+       +--------------+--------------+
               ^                                     |
               |        メッセージ通信 (コピー)       |
               +-------------------------------------+

メモリ空間が完全に分離されているため、ロック不要で安全にマルチコアを活用した並列実行が可能です。

Isolate の概念と Isolate.run() による別スレッド処理

Dart 2.19以降では、単発の重い計算処理（CPUバウンドタスク）を別スレッドで実行して結果を受け取るための Isolate.run() が導入されました。

内部で別Isolateの生成、計算の実行、結果メッセージの返却、そしてIsolateの破棄までを自動で行ってくれます（Flutterの compute() 関数と同等です）。

import 'dart:isolate';

// 別Isolateで実行される重い計算関数
int heavyCalculation(int count) {
  int sum = 0;
  for (int i = 0; i < count; i++) {
    sum += i;
  }
  return sum;
}

void main() async {
  print('メインスレッド開始');

  // 別スレッドで重い計算を実行
  final result = await Isolate.run(() => heavyCalculation(1000000));
  print('計算完了: $result');

  print('メインスレッド終了');
}

メインスレッド開始
計算完了: 499999500000
メインスレッド終了

ポート（ReceivePort、SendPort）による双方向メッセージ通信

長時間常駐するバックグラウンドワーカーを作成し、メインIsolateとの間で継続的な双方向通信を行うには、ReceivePort と SendPort によるメッセージパッシングを使用します。

import 'dart:isolate';

// ワーカーIsolateのエントリーポイント
void worker(SendPort mainSendPort) {
  final workerReceivePort = ReceivePort();
  // 自身のSendPortをメインIsolateに送り返す
  mainSendPort.send(workerReceivePort.sendPort);

  // メインからのメッセージを待ち受ける
  workerReceivePort.listen((message) {
    if (message is int) {
      final squared = message * message;
      mainSendPort.send('計算結果: $squared');
    }
  });
}

void main() async {
  final mainReceivePort = ReceivePort();

  // ワーカーIsolateを起動
  await Isolate.spawn(worker, mainReceivePort.sendPort);

  // 最初に応答として送られてくるワーカーのSendPortを取得
  final workerSendPort = await mainReceivePort.first as SendPort;

  // 新たな受信ポートを作成して結果を待機
  final responsePort = ReceivePort();
  workerSendPort.send(7);

  mainReceivePort.close();
}

この章のまとめ

この章では、Dartにおける並列処理の仕組みである Isolate について学びました。

• シングルスレッド vs Isolate: 通常の非同期処理は同一スレッドでイベントループにより実行されるが、CPU集約型の処理は Isolate で別コアへ逃がす。
• メモリ分離（No Shared Memory）: 各Isolateは完全に独立したヒープを持ち、ロック不要でデッドロックやレースコンディションが発生しない。
• Isolate.run(): 単発の重い計算タスクをワンライナーで安全に別スレッド実行。
• ReceivePort / SendPort: 長時間常駐するワーカーとの双方向メッセージ通信。

Dartチュートリアルの全章を完走したことで、言語基礎・Null Safety・関数型機能・モダンなDart 3パターン・非同期・Isolate並列処理まで、実践で活躍するための知識が身につきました！

練習問題1: Isolate.run()による重い計算の並行実行

巨大なリストのソートと集計処理を Isolate.run() を使って別スレッドで実行するプログラムを作成してください。

1. List<int> generateAndSortNumbers(int size) 関数を定義する。
   • 要素数 size のランダムな整数リストを生成し、降順ソートして先頭10件を返す。
2. main() で await Isolate.run(() => generateAndSortNumbers(500000)) を呼び出す。
3. 取得した上位10件のリストを出力する。

import 'dart:isolate';
import 'dart:math';

// ここに関数を定義してください

void main() async {
  // ここで動作確認を行ってください
}

練習問題2: ポートを使った双方向ワーカーの作成

文字列を反転して大文字にするワーカースレッドを作成し、メッセージを送受信してください。

1. void textProcessor(SendPort mainSendPort) を定義する。
   • 自身の ReceivePort を作成し、その sendPort を mainSendPort に送る。
   • 送られてきた文字列を逆順（split('').reversed.join()）かつ大文字（toUpperCase()）にして送り返す。
2. main() で Isolate.spawn(textProcessor, receivePort.sendPort) を起動する。
3. 'hello dart' を送信し、ワーカーから 'TRAD OLLEH' が返ってくることを確認してポートを閉じる。

import 'dart:isolate';

// ここに関数を定義してください

void main() async {
  // ここで動作確認を行ってください
}